表面波震測於含改良柱體地層之改良成效評估

國立交通大學

土木工程學系碩士班

碩士論文

表面波震測於含改良柱體地層之改良成效評估

Assessment of Ground Improvement with Improved

Columns by Surface Wave Testing

研究生：戴永政

指導教授：林志平 博士

2

表面波震測於含改良柱體地層之改良成效評估

Assessment of Ground Improvement with Improved Columns by Surface Wave Testing

研究生：戴永政 Student: Yung-Zheng Dai

指導教授：林志平 博士 Advisor: Dr. Chih-Ping Lin

國立交通大學 土木工程學系碩士班

碩士論文

A Thesis

Submitted to Department of Civil Engineering College of Engineering

National Chiao Tung University In Partial Fulfillment of the Requirements

for the Degree of Master

in

Civil Engineering

July 2009

Hsinchu, Taiwan, Republic of China 中華民國九十八年七月

表面波震測於含改良柱體地層之改良成效評估 學生：戴永政 指導教授：林志平 博士 國立交通大學土木工程學系碩士班

中文摘要

軟弱地盤經過地盤改良後可達增加土壤剪力強度、承載力等目 的，但在檢核地盤改良成效時，於地中形成改良柱體之場址會突顯既 有檢核方法如標準貫入試驗、鑽探取樣與室內試驗等取樣範圍小、費 時且昂貴又不具代表性的缺點，因此尋求可反應整體改良效果之檢核 方法有其必要性。本研究嘗試以表面波震測法取樣範圍大、快速且經 濟的優點作為檢核方法，以輔助並提供更具代表性的檢核資訊。 表面波震測法取得剪力波速剖面，透過剪力波速能確實的反應土 體勁度及強度的特性，本研究探討表面波震測在異質性地層之均質化 反應，並透過通過與未通過改良柱體之測線，探討表面波震測之側向 取樣空間；在不同改良率之工程案例，比較改良前後表面波震測剪力 波速之提升率與場址處之工程性質(如改良率、SPT-N 值、複合剪力 強度等)，以期找出此提升率所能提供之工程訊息。 關鍵字：表面波震測、剪力波速、地盤改良 I

Assessment of Ground Improvement with Improved Columns by Surface Wave Testing

Student： Yung-Zheng Dai Advisor： Dr. Chih-Ping Lin Department of Civil Engineering

National Chiao Tung University

Abstract

Soft ground can be improved to increase the shear strength and bearing capacity by methods such as jet grouting and stone column which may result in heterogeneous ground with improved columns. Experimental methods (Standard Penetration Test, Sampling, Laboratory testing, etc.) used to assess such ground improvement are subjected to several limitations such as small sampling volume, time-consuming, and cost ineffectiveness. Current homogenization equations based on improvement ratio may not be representative. The objective of this study is to investigate the seismic surface wave method as a non-invasive and direct method for assessing the overall quality of the ground improvement, which is characterized by large sampling volume, efficiency, and cost effectiveness.

The surface wave test is can be used to determine the shear-wave velocity depth profile which reflects the stiffness and strength of the geotechnical materials. This study investigated the homogenization of surface wave testing in heterogeneous improved ground with improved columns. The lateral sampling space of the surface wave testing was also investigated by field testings of different survey line locations relative to the improved columns. From case studies with different improvement ratio, the difference in shear wave velocity before and after ground improvement is

compared with various site characteristics such as improvement rate, SPT-N, and the complex shear strength. The engineering information that can be extracted from the improvement rate of shear wave velocity obtained by surface wave testing is discussed.

Key words : Surface wave method, shear wave velocity, ground improvement

誌謝

本論文得以順利完成，首要感謝吾師 林志平教授的指導與提 攜，讓我不論在學業或為人處事上都有莫大的成長並且更了解如何發 現問題，解決問題，浩蕩師恩，在此獻上萬分謝意。 在學期間承蒙 方永壽教授、 潘以文教授、 廖志中教授、 黃安 斌教授與 單信瑜教授在課業、研究與生涯規劃上的指導與建議，使 得學生更有信心與能力面對未來的挑戰，在此致上萬分感謝。 論文口試期間，承蒙成功大學土木工程學系 李德河教授、中興 大學土木工程學系 蘇苗彬教授、成功大學資源工程學系 余騰鐸教授 與三力工程技術顧問公司董事長 謝旭昇博士對於本論文提供諸多寶 貴意見與建議，使得本論文更臻完善，在此由衷的感謝。 論文研究過程中特別感謝簡志榮技師提供兩處地盤改良場址做 為研究課題，並從過程中學習到更多書本上所沒有的，讓我獲益匪 淺，感謝余敏隆經理在現地試驗中給於我很多的幫助。在研究所求學 期間幸蒙志忠、俊宏、育嘉、文欽、岳勳、瑋晉與浚昇等學長在論文 與專業知識提供意見與協助，其中特別感謝俊宏學長不遺餘力的指導 論文試驗與寫作；同時感謝研究室成員智棟、哲毅在生活上的照料與 幫忙以及學弟如錚、子奕學妹玉紋在論文研究上與試驗上的協助；此 III

外感謝大地組的同學們佩錞、俊文、炳宏、奕蓁、聖峯、意婷、瑞陽、 彥琅、柏碩與曾經幫助過我的人，在此一併致上最深的謝意。 最後感謝我的父母對我的支持與栽培，哥哥與弟弟平時給我的鼓 勵，讓我可以無後顧之憂順利完成研究所的學業，將此論文獻給所有 支持我、關心我的家人與朋友們，願你們與我共同分享這份成果及喜 悅。 戴永政 僅誌 2009 年 7 月 IV

目次

中文摘要 ... I  Abstract ... II  致謝 ... III  目次 ... V  圖目錄 ... VII  表目錄 ... XI  第一章 緒論... 1  1.1 研究動機 ... 1  1.2 研究目的 ... 2  第二章 文獻回顧 ... 4  2.1 地盤改良工法簡介 ... 4  2.1.1 地盤改良之目的 ... 4  2.1.2 地盤改良工法之分類 ... 5  2.1.3 地盤改良之檢核方法與設計原則 ... 13  2.1.4 改良成效檢核之問題探討 ... 17  2.2 土壤剪力波特性於地盤改良的應用 ... 19  2.2.1 土壤動態剪力波特性 ... 19  2.2.2 剪力波法於量測方法 ... 22  V

2.3 表面波基本波傳原理 ... 31  2.3.1 多頻道表面波施測法 ... 34  2.3.2 多頻道表面波分析法-多頻道波場轉換法 ... 35  2.4 剪力波於地盤改良成效的應用 ... 40  第三章 研究方法 ... 43  3.1 試驗規劃與流程說明 ... 45  3.2 試驗儀器簡介 ... 46  3.3 表面波於地盤改良成效應用-案例施作 ... 48  3.2.1 高壓灌漿改良場址 ... 48  3.2.2 擠壓砂樁改良場址 ... 61  第四章 試驗結果與討論 ... 68  4.1 高壓噴射灌漿改良場址試驗結果說明 ... 68  4.2 高壓噴射灌漿改良結果探討 ... 77  4.3 擠壓砂樁改良場址試驗結果說明 ... 89  第五章 結論與建議 ... 102  5.1 結論 ... 102  5.2 建議 ... 104  參考文獻 ... 105  VI

圖目錄

圖 2. 1 Selection flow of deep ground improvement technique. ... 8 

圖 2. 2 固結體鑽孔取樣位置示意圖 ... 19  圖 2. 3 土壤之應力應變行為 ... 21  圖 2. 4 骨幹曲線 ... 21  圖 2. 5 剪力模數遞減曲線 ... 22  圖 2. 6 剪力波元件試驗 ... 24  圖 2. 7 共振柱型式示意圖 ... 25  圖 2. 8 常見之現地剪力波量測方法 ... 28  圖 2. 9 柏松比與波速度之關係 ... 29  圖 2. 10 表面波震測技術流程圖 ... 30  圖 2. 11 有效之波速度範圍 ... 37  圖 2. 12 波場轉換分析法之f-v頻譜 ... 38  圖 2. 13 波場轉換法(MWTSW)試驗配置與分析流程 ... 38  圖3. 1 研究流程圖 ... 44 圖3. 2 表面波震測儀器 ... 48 圖3. 3 高壓噴射工法施工順序圖 ... 49 圖3. 4 基地位置圖 ... 50 圖3. 5 鑽孔平面位置圖 ... 51 VII

圖3. 6 BH01_BH02_BH03 地層剖面圖 ... 52 圖3. 7 BH04_BH05_BH06 剖面 ... 53 圖3. 8 改良樁成效檢驗取樣位置圖 ... 56 圖3. 9 地盤改良樁改位置及檢核位置平面圖 ... 57 圖3. 10 表面波震測與跨孔震測試驗配置圖 ... 60 圖3. 11 工址相關位置 ... 63 圖3. 12 試驗區域及附近既有鑽孔位置 ... 63 圖3. 13 試驗區附近既有鑽探柱狀圖 ... 65 圖3. 14 擠壓砂樁試驗區域A配置圖 ... 66 圖3. 15 擠壓砂樁試驗區域B配置圖 ... 67 圖3. 16 擠壓砂樁跨孔震測現場試驗配置圖 ... 67 圖4. 1 地盤改良前後表面波震測L1 及L2 測線t-x域波場資料 ... 69  圖4. 2 地盤改良前後表面波震測L3 及L4 測線t-x域波場資料 ... 69  圖4. 3 地盤改良前後表面波震測L1 測線f-v頻譜... 71  圖4. 4 地盤改良前後表面波震測L2 測線f-v頻譜 ... 71  圖4. 5 地盤改良前後表面波震測L3 測線f-v幅譜 ... 72  圖4. 6 地盤改良前後表面波震測L4 測線f-v頻譜 ... 72  圖4. 7 改良前後剪力波速剖面圖 ... 73  圖4. 8 C1-C2 跨孔震測孔內歷時 ... 74  VIII

圖4. 9 C3-C2 跨孔震測孔內歷時 ... 75  圖4. 10 C4-C6 跨孔震測孔內歷時 ... 75  圖4. 11 C5-C6 跨孔震測孔內歷時 ... 76  圖4. 12 跨孔震測剪力波波速剖面 ... 77  圖4. 13 高壓噴射灌漿改良場址表面波震測頻散曲線比較 ... 78  圖4. 14 高壓噴射灌漿改良場址表面波震測相位速度-波長比較 ... 78  圖4. 15 高壓噴射灌漿改良表面波震測波長-改良率 ... 79  圖4. 16 高壓噴射灌漿改良表面波震測剪力波速與改良率圖 ... 80  圖4. 17 高壓噴射改良場址深度-剪力模數與改良率 ... 81  圖4. 18 高壓噴射灌漿改良場址檢核點選取比較區域 ... 82  圖4. 19 高壓噴射改良場址SPT-N改良前後結果與改良率 ... 84  圖4. 20 高壓噴射灌漿改良複合土層剪力強度-深度與其改良率 .... 87  IX 0  圖4 圖4. 23   圖4. 24 圖4. 21 擠壓砂樁改良後表面波震測L1 及L2 測線t-x域波場資料 ... 9 . 22 擠壓砂樁改良後表面波震測L1 及L2 測線f-v域波場資料與頻 散曲線 ... 91  擠壓砂樁改良後表面波震測L4 及L5 測線時間-空間域波場資 料 ... 92 擠壓砂樁改良後表面波震測L4 及L5 測線f-v域波場資料與頻 散曲線 ... 93 

X 圖4. 圖4 圖4 25 擠壓砂樁改良後 3 個月表面波震測L1 及L2 測線t-x域波場資 料 ... 94  . 26 擠壓砂樁改良後 3 個月表面波震測L1 及L2 測線f-v域波場資 料與頻散曲線 ... 95  . 27 擠壓砂樁改良各表面波測線反算結果 ... 96  圖4. 28 擠壓砂樁改良前跨孔震測震波歷時 ... 97  圖4. 29 擠壓砂樁改良後跨孔震測震波歷時 ... 98  圖4. 30 擠壓砂樁跨孔震測剪力波波速剖面 ... 99  圖4. 31 擠壓砂樁改良場址表面波震測相位速度-波長比較 ... 100  圖4. 32 擠壓砂樁震波探測結果 ... 101 

XI

表目錄

表2. 1 Applicability of ground improvement for different soil types. ... 8

表2. 2 地盤改良工法分類(I) ... 9 表2. 3 地盤改良技術分類(II) ... 10 表2. 4 地盤改良工法分類(3) ... 12 表2. 5 台灣常用之檢核方法 ... 15 表2. 6 攪拌工法之成效檢核方法 ... 16 表3. 1 土層簡化參數表 ... 54 表3. 2 跨孔震測配置表 ... 59 表3. 3 試驗區域簡化地層參數(PA1~PA4) ... 64 表4. 1 高壓噴射灌漿改良場址前後SPT-N值比較 ... 83  表4. 2 高壓噴射灌漿改良樁體單壓試驗結果 ... 85 

第一章 緒論

1.1 研究動機

台灣地狹人稠、土地資源有限，又因地質多變，因此面臨承載力 不足與壓縮量過大之軟弱地盤的機會漸增，地盤改良技術成為大地工 程師處理問題的利器之一。地盤改良之工法隨著目的的不而有所不 同，一般而言，主要是為提高現地土壤之強度與勁度，或控制現地土 壤的透水性等目的進行改良。改良工法因場址的特性而不同可有不同 選擇，改良完成後之成效檢核方式也隨之有所差異，基本上，改良效 果之檢核以針對改良目的進行現場或室內檢驗為主，以符合設計要求 為標的。 在地盤改良方法中以增加土壤剪力強度以及承載力為目標之改 良方法如高壓噴射攪拌工法、機械攪拌工法、擠壓砂樁等工法，施作 後將會在地中形成改良柱體，該柱體的存在造成改良完成之土體具有 高度的不均質性，然而，就目的而言，以改良目地為主的檢核方法卻 無法有效的代表整體改良效果。 近年來表面波震測法技術研究日趨成熟，透過對其所得之剪力波 速剖面之解析，以成功應用於地層比對、鋪面厚度檢測、土壤改良成 效檢測、地下孔洞探測、液化潛能分析以及隧道襯砌與被填灌漿之品 1

質管制等地工與環境問題解決上。表面波震測法係利用人為方式在地 表產生表面波，於地表傳遞時，因在不同波長下之影響深度不同，可 將地層不同深度內之地層物性反應於波速上。表面波震測的施做是先 於試驗場址佈設受波器後，製造人為震原產生擾動，將此地表垂直位 移訊號收錄後，對其進行訊號分析而獲得面波頻散曲線，再透過反算 技巧對此頻散曲線進行反算分析便可得到現地一維地層剪力波速剖 面。故表面波施作上不需鑽孔破壞地表土層，具有容易、快速又經濟 的優點，且其最大特點在於所得為測線下方土層之綜合表現，其取樣 體積遠大於傳統之試驗方法，因此更能代表改良土體整體之改良效 果，具有應用地盤改良成效檢驗之潛力。 然而，表面波震測所得之剪力波速的提升對於地盤改良成效之意 義以及該如何量化應用此剪力波速成果於改良成效之中尚未有明確 之方法指出，本研究將透過進行案例分析之方法，對此問題進行初步 探討。

1.2 研究目的

能在地中形成改良樁體之改良工法，不但能增加地盤承載力也對 軟弱土壤具有加勁的效果，也能降低液化的潛能，但是此類型的工法 施工品質管控不易，突顯了成效檢驗的重要，而目前常用的檢驗方式 2

不外乎鑽孔取樣與現場試驗等直接檢驗的方式，但卻有著取樣空間小 不足以代表整體改良效果，大量檢驗又不經濟且費時費工的缺點存 在。 本研究透過表面波震測法取得地層剪力波波速剖面，又透過剪力 波速能確實的反應土體勁度及強度的特性，取得更具代表性之改良成 效。因此本研究目的在於初步利用案例分析，以表面波震測法取得改 良土體前後之剪力波波速差異，建立其與地盤改良設計參數之關係， 例如單壓強度、標準貫入試驗、複合剪力強度、設計改良率等，期望 透過表面波震測法的優點提供另一種更具代表性地盤改良成效檢核 的工具。 3

第二章 文獻回顧

2.1 地盤改良工法簡介

地盤改良技術的發展就是為解決在土木與建築工程中遭遇到不 良之基礎地層或軟弱土壤的情況 (陳逸駿等，2003)，改良目的在於 提高現地土壤強度與勁度，以及控制現地土壤的透水性等，為達改良 目的所能使用的工法眾多，其原理及施工方法各有不同，因此其成效 檢核方法也有所差異。本節介紹地盤改良目的、施做工法分類以及現 有檢核的方法。

2.1.1 地盤改良之目的

地盤改良的目的其實就在於提高土壤的緊密性與剪力強度，再達 到增加穩定性、減少壓縮性以及影響滲流，進而控制地下水流、增加 壓密速率及阻水 (Moseley & Kirsch, 2004)。一般而言，地盤改良之目 的可分成： (1) 改善剪力特性(防止剪力破壞，防止剪力變形，減輕土壓力)。 (2) 改善壓縮性(防止壓密沉陷等)。 (3) 改善透水性(防止漏水，遮水等)。 (4) 改善動態特性(防止液化、減輕震動等)。 4

地盤對剪力破壞與土壓力之穩定性是憑藉於土壤之剪力強度，因此為 達成改善剪力特性基本上應增加土壤之剪力強度，再者以改善土壤壓 縮性為目的是在於防止壓密沉陷，因此須採用某些適當的方法促使地 盤成不壓縮性，或加速壓密作用進行。改善土壤透水性為目的是在於 處理土壤內水之移動所造成的問題(湧水、砂湧、管湧等)，其處置方 法是如何促使地盤成不透水性以及如何減輕水壓力之作用。最後以改 善土壤動態性質為目的。鬆散砂質地盤受地震作用易形成液化現象， 同時地震、車輛荷重等動態應力所致成之地盤震動亦會使構造物產生 各種不良之影響，為解決此類動態問題，其處置方法就是如何防止地 盤液化或如何改善震動性質等促使地盤耐震化(林耀煌，1984)。

2.1.2 地盤改良工法之分類

地盤改良工法的選擇是依改良目的、地質條件及環境因素等有所 不同， Bergado等人(1993)將改良工法區分成加勁(Reinforcement)、灌 漿(grouting)、夯實(Compaction)以及排水(Dewatering)，在依不同的土 壤做適用性分類，如表 2. 1所示。也有依不同環境、地質條件等情況 做選擇，透過Yes/No的方式將問題釐清，建議適用的改良方法如圖 2. 1。在基礎工程施工規範與解說(1998)中及余明山等人(2004)將台灣 能見之地盤改良方法做分類，經整理後分別為表2. 2及表2.3。在表 5

2. 2中將改良工法依改良原理區分成夯實、壓密、固結與置換四種， 夯實僅適用於砂性土壤，而壓密則適用於黏性土壤，固結與置換不論 何種土壤皆可適用，在現場依地質條件、改良範圍、經濟效益與施工 方便性做為選擇依據。另外余明山等人(2004)同樣將地盤改良技術依 施工原理分類，但隨著經驗的累積與技術的演進，改良工法種類更加 多樣性，因此區分成深層攪拌工法、灌漿工法、排水預壓工法、震動 擠壓工法以及其他技術等如表2.3。深層攪拌工法係利用機具攪拌土 壤在注入硬化劑，使地中形成土壤固結體，增加土壤承載力、剪力強 度等達改良目的，台灣最常使用之工法為高壓噴射灌漿工法，該工法 係利用高壓幫浦將漿液(或水)及空氣注入具有特殊構造與小口徑噴 嘴裝置之灌漿管使產生高壓噴射流，並藉在預定土層深度之灌漿管旋 轉及提升，以高壓噴射流切削周圍土壤，以達到改良特定範圍內地層 知強化及止水效果之目的(廖惠生等，2006)；灌漿工法以一定壓力向 地中填入水泥漿、水泥砂漿、藥液或此等混合液，填充孔隙增加土壤 剪力強度，改善支承力、變形性及阻水性，其中水泥灌漿是國內最早 使用的地層灌漿工法，大多用於壩基、隧道、橋墩、提防護岸和路基 等之空洞回填，以及岩盤裂縫之灌注；排水預壓工法主要是用於飽和 黏土，透過靜置載重或加速黏土層排水使土壤沉陷能於構造物施做前 以及大部分先行發生，以期達到減少沉陷量及不均勻沉陷等問題，此 6

工法同時利用預載工法增加土體應力增加量，以達預壓密的效果，再 配合垂直排水工法以增加孔隙水壓消散路徑或縮短排水距離，使壓密 時間縮短可更迅速有效地縮短工期、增加土壤強度且獲得預期之壓密 沉陷量；震動擠壓工法是利用機具將重物自由落下夯擊鬆散砂土或配 合天然砂石材料擠壓震動灌入鬆散土層，使改良土趨於緊密，達到提 高土壤承載力，減低地層壓縮性與提高抗液化能力，其中擠壓砂樁工 法為台灣使用最久的震動夯實改良工法，此工法是利用震動機及高壓 空氣的輔助，將中空鋼套管(一般為 40cm直徑)貫入擬改良之地層中， 於達預定改良深度後，再將回填砂礫由施工機械上部之填料斗投入， 經由鋼管的上下反覆拉拔及貫入，將回填砂料擠壓並夯實成一直徑約 60cm~70cm的堅實柱體，使砂樁周圍土壤受到擠壓及震動趨於緊密， 達到增加地層密度及剪力強度之目的，同時由於夯實砂樁本身具有依 定之強度與良好之透水性，將可分擔並減低地層受震時之剪應力，並 可使地震時產生之超額孔隙水壓迅速排除；最後將特殊情況下使用之 地盤改良方法分於此類，此類方法通常用於既有方法無法施做時採 用，例如冰凍工法可暫時將地下水凍結，解決產生管湧等問題，增加 地盤穩定性及施工安全性但費用過於昂貴，於貫用之地盤改良方法無 法滿足工程需求時採用。 7

表2. 1 Applicability of ground improvement for different soil types. Improvement mechanism Reinforcement Admixtures or grouting Compaction Dewatering Improving period Depending on the life of

inclusion

Relatively short-tern

Long-term Long-term Organic soil

Volcanic clay soil Highly plastic clay Lowly plastic clay Silty soil

Sandy soil Gravel soil

Improved state of soil Interaction between soil and inclusion

(No change in soil state)

Cementation High density by decreasing void ratio (Change in soil state)

(Bergado et al.,1994)

圖2. 1 Selection flow of deep ground improvement technique. (Bergado et al.,1994)

表2. 2 地盤改良工法分類(I) 分類 改良原理 改良目的 適用土層 工法 夯實 以物理或機器 方法擠壓地 層，增加其密度 防止液化 減少沉陷 增加基礎水平支承力 砂性土 ¾ 動力壓密 ¾ 震動揚實法 ¾ 擠壓工法 壓密 強制排除地層 孔隙水促進土 體壓密沉陷 增加承載力 減少沉陷 增加基樁水平支承力 黏性土 ¾ 排水壓密 ¾ 垂直排水帶 ¾ 砂樁排水 固結 將水泥、石灰等 材料混入土層 中增加土粒間 化學結合力 增加承載力 減少沉陷 防止液化 砂性土 黏性土 ¾ 攪拌工法 ¾ 灌漿工法 置換 將原地中之軟 弱土層以良質 土置換 增加承載力 減少沉陷 砂質土 黏性土 ¾ 挖除置換 ¾ 強制置換 (基礎工程施工規範與解說，1998) 9

表 2.3 地盤改良技術分類(II) 類別 施工方法名稱 說明 深層攪拌工法 ¾ 機械攪拌工法 ¾ 高壓噴射灌漿工法 ¾ 攪拌、噴射並用工法 於地層中利用機具攪拌土壤同時注 入硬化劑，將土壤與硬化劑膠結混合 為固結體。 灌漿工法 ¾ 水泥灌漿工法 ¾ LW 灌漿工法 ¾ 藥液灌漿工法 ¾ 擠壓灌漿工法 此工法系將水泥漿、水泥砂漿、藥液 等混合液灌入地層中，以改善其支承 力、變形性及阻水性。 排水預壓工法 ¾ 排水系統 1.排水砂礫樁 2.袋裝砂礫樁 3.排水帶 ¾ 預載系統 1.堆壓法 2.真空法 3.降低地下水法 軟弱飽和黏土之排水預壓工法，係利 用由施加暫時性之靜載重，使土壤沉 陷能於構造物施行前已大部分先行 發生，以減少構造物施築後黏土層之 沉陷量和不均勻沉陷量。 震動擠壓工法 ¾ 夯實砂樁法 ¾ 動力夯實工法 ¾ 礫石樁工法 ¾ 打擊式大位移群樁工法 利用動力能量或配合天然砂石材 料，以震動或擠壓的方式將疏鬆之砂 質土層強制夯實，改善土壤之工程性 質，達到提高土壤承載力，減低地層 壓縮性與提升砂質地層抗液化能力 之目的。 其他地盤改良 技術 ¾ 地層冰凍工法 ¾ 炸震夯實工法 ¾ 熱瀝青灌漿工法 ¾ 電滲透化學灌漿 遇到特殊之地下施工問題，基於安 全、經濟面的考量，現行之地改技術 無法滿足時使用。 (整理自余明山等，2004) 大多的分類方法都是以改良技術使用之機具、材料及改良原理做 為分類依據，提供施工時選擇時的參考。然而在改良後規劃設計時， 10

是針對改良後土體之剪力強度、滲透性與壓縮性做為設計參數，改良 後由高強度改良柱體與未改良軟弱土壤組成高度不均質性改良土 體，會造成分析上的困擾。將表2.3重新以改良後土體均質性做為分 類如表2. 4，一般而言低壓灌漿工法、預壓密排水工法與震動夯實工 法在施作後改良區域內整體土壤都受有改良效果，後續成效檢驗及分 析上較單純。另一類會形成複合改良土體之工法如深層攪拌工法(機 器攪拌、高壓噴射等)、夯實砂樁工法、礫石樁工法等，此類工法改 良後會在地中形成柱體，具有加勁或排水的效果，亦可提高剪力強度 與承載力，達到地盤改良目的，但改良後呈複合土體，在成果檢驗上 著重於改良區域影響範圍及強度的確認，分析設計時考量改良區及未 改良區域之相互比例關係。 11

表2. 4 地盤改良工法分類(3) 類 別 施工方法名稱 說 名 均 質 膠 結 水泥灌漿工法 LW 灌漿工法 藥液灌漿工法 透過改良工法的施作使得改良土體更趨 於緊密，可利用藥液填充孔隙使之膠結或 排水預壓密以及機具夯錘土體等手段達 到目的，土壤緊密化或膠結後使得剪力強 度、承載力大大提升，壓縮性減小或加速 發生，抗液化潛能降地，達到地盤改良目 的。此類地盤改良工法的特色為改良後整 體土壤較為均值，後續分析及成效檢驗上 單純許多。 非 膠 結 排水系統 1.排水砂礫樁 2.袋裝砂礫樁 3.排水帶 預載系統 1.堆壓法 2.真空法 3.降低地下水法 動力夯實工法 非 均 質 膠 結 機械攪拌工法* 高壓噴射灌漿工法* 通常以機械貫入改良深度透過攪拌或高 壓噴射的方式將硬化劑與土壤拌合成柱 體，或灌入砂礫石並夯實擠壓成柱體，可 形成改良樁體，在地中有加勁的效果，藉 此提高剪強度與承載力，達到地盤改良目 的，但改良後呈複合土體，分析設計時考 量改良區及未改良區域之相互比例關係。 非 膠 結 夯實砂樁工法 礫石樁工法 打擊式大位移群樁工法 12

2.1.3 地盤改良之檢核方法與設計原則

根據建築物基礎構造設計規範修訂之研究-地層改良(2004)指出 地層經改良後均應針對改良目的，以詳細、有效之現場或室內檢驗方 式檢核改良後地層之工程性質，以確認施工品質及改良效果，若改良 效果未能符合設計要求時，應予補強改良，或就改良後現況，選取適 當之土壤參數，修正原基礎或構造物之設計，其檢核之原則如下： 1. 灌漿或混合攪拌處理方式之改良，宜以現場試驗檢核，必要時， 得以現場取樣進行試驗，以檢討其成效。其改良範圍，得以挖掘 試坑或其他適當方法檢核之。 2. 表層夯實之檢核，宜以平鈑載重試驗或相對夯實度等檢驗方式。 3. 深層加密或防止液化為目的改良，應以現場貫入試驗為主，試驗 時間宜待夯實一週後進行。 4. 以預壓或排水固結法之改良，應定期監測土壤行為之變化，如孔 隙水壓與沉陷等，並藉工程學理研判改良之成效。 由以上的原則可得知規範內無硬性規定成效檢核方法之選定，其原因 就在於影響地盤改良之因素多且複雜，且大部分的情況均非單學理能 完全推估其成效，建議針對改良之目標選其適當之檢驗方法，不論是 直接或間接之方式均可。余明山等(2004)將台灣常用之地盤改良技術 13

匯集整理，將以上敘述整理自表 2.3，其對應的檢核方法如表2. 5， 深層攪拌工法與灌漿工法同樣是將硬化材柱入土壤中，而兩者的差別 在於有無利用機械於地層中攪拌土壤形成改良樁體，因此兩者成效檢 驗方式較為相似，同樣是依目的的不同要求檢驗土壤之強度、透水 性、密度及耐久性，透過開挖、取樣、貫入試驗等方式檢核而深層攪 拌工法還要求檢核成樁率、樁體連續性及樁徑等，細節參考表2. 6。 排水預壓工法成效檢驗著重於沉陷量的觀測以及改良前後剪力強 度、壓縮性等變化。震動擠壓工法改良之土壤，其強度有隨時間增長 而逐漸提高之特性，應靜置依一段時間後再進行效果檢驗。改良效果 檢驗要點是改良目的而定，一般以強度為主，變形性為輔。檢驗方式 包括現地試驗與試內試驗兩項，現地常以標準貫入試驗及圓錐貫入試 驗較為常用。 地盤改良之設計原則考量改良效果時效性及材料之耐久性、可能 之破壞模式或壓縮性，設計參數則需考量改良效果之不均勻性，做適 當且保守之選擇。另外也需考量地盤改良過程中對鄰近建物之影響以 及可能造成的環境汙染，其中若改良後之地層為複合地層，其受力作 用之力學機制將與未改良之機制不同，分析時應適度考慮改良土體與 未改良土體之互制作用，以合理之模式進行設計。 14

表 2. 5 台灣常用之檢核方法 分類 施工方法名稱 檢核方法 深層攪拌工法 機械攪拌工法 高壓噴射灌漿工法 攪拌、噴射並用工法 試坑開挖、鑽孔取樣、貫入試驗 及室內試驗，檢驗固結體之成樁 率、樁徑、深度、連續性及強度。 透過目視法、現場取樣、藥液滲 透分析。 灌漿工法 水泥灌漿工法 LW 灌漿工法 藥液灌漿工法 擠壓灌漿工法 排水預壓工法 排水系統 1.排水砂礫樁 2.袋裝砂礫樁 3.排水帶 預載系統’ 1.堆壓法 2.真空法 3.降低地下水法 設置沉陷監測點與水壓計進行監 測。 一般物性試驗、直接剪力、三軸 試驗、單軸壓密試驗、標準貫入 試驗與圓錐貫入試驗 震動擠壓工法 夯實砂樁工法 礫石樁工法 動力夯實工法 打擊式大位移群樁工法 標準貫入試驗、圓錐貫入試驗、 平鈑膨脹試驗以及側向載重 現場試驗、速度井測、指數性質 試驗、室內強度試驗 (整理自建築物基礎構造設計規範修訂之研究-地層改良，2004；張吉 佐等，2000) 15

表2. 6 攪拌工法之成效檢核方法 項目 作法 優點 缺點 樁 徑 確 認 鑽心取樣 於設計樁徑圓周處進行 鑽心取樣 直接了解改良 改良品質與鑽 心方位處之樁 徑 取樣成果完整性與 代表性常受鑽心取 樣技術影響 測音管檢 測方法 於設計樁徑附近埋設 3-4 支測音管，利用噴射 到達音驗證是否達要求 灌漿完成時即 確認樁徑 無法保證測音管半 徑內土壤有效被切 削及拌合；成果仰 賴測音管埋設之垂 直精度 超音波檢 測方法 於施灌時以比重 1.03~1.05 之皂土漿液取 代，完成後以超音波檢 測儀進行確認 可快速量測得 不同方向之切 削樁徑 檢驗成果為皂土漿 噴射切削之樁徑， 與正式施工之漿液 比重不同，需修正 灌 漿 成 效 檢 驗 鑽心取樣 及強度試 驗 取樣數量一般為改良 樁數3%以上，並取改良 深度之上中下各一個試 體進行單壓試驗 直接得到改良 體強度 數量少且受人為指 定影響 取樣率及 RQD 判定 以鑽探工程上定義之取 樣率判斷或使用岩石品 質指標(RQD)判斷鑽心 強度 可直接看到漿 液滲透狀況 一般規範對取樣率 未定義或定義不 清；RQD 為強岩石 強度指標，有適用 性問題 透水試驗 現地變水頭試驗 得到改良後現 地滲透係數 適用於均值且等向 性之地層 液 化 貫入試驗 在三支改良樁之中心施 作標準貫入試驗 結果可評估抗 液化潛能 僅代表樁間土壤N 值之變化 (整理自廖惠生等，2006 ; 基礎工程施工規範與解說，1995) 16

2.1.4 改良成效檢核之問題探討

若土壤在改良後形成不均質體之複合土體如攪拌灌漿工法、擠壓 砂樁工法等(參考表2. 4)方法會突顯既有檢核方法(鑽孔取樣、單壓試 驗及標準貫入試驗等)數量少易受人為指定之影響、取樣範圍小、成 本較高與耗時等缺點。 17 以高壓噴射灌漿改良為例，因改良後地中形成柱型改良土體以達 到改良特定範圍內地層之強化等目的(游明泰，2006)，既有檢核方法 著重於改良柱體之成樁率、樁徑、深度、連續性、滲透性及強度之檢 核，使用方法不外乎鑽探取樣(參考圖2. 2)及室內試驗，其成效檢核 方法如表2. 6。一般在檢核複合改良土體時由甲方選定檢核改良樁位 置，檢核數量約為改良總數的3%，鑽取的位置如圖2. 2，目的為檢 核成樁樁徑，鑽探取樣後檢核其鑽心提取率(一般要求 80%以上)及 RQD判定。之後再取改良深度範圍之上、中、下各一組試驗，送至試 驗室進行單壓強度試驗，以確認強度是否符合設計要求。改良目的為 止水需求者，則於現場進行現地透水試驗，以檢驗改良體之透水性能 否滿足設計需求(一般要求透水係數需低於 1*10-5cm/sec) (廖惠生等， 2006)。 設計方法以複合土體強度設計(林宏達等，1999)為例，公式如下：

1. 砂性土層 Cm = (1-Ir)*C+α* Ir*qu/2 (2-1) ψm = ψ (2-2) 2. 黏性土層 Sum = (1-Ir)*Su+α* Ir*qu/2 (2-3) 其中： Cm、ψm、Sum =複合土壤剪力強度(T/m2) C、ψ、Su = 未改良土壤剪力強度(T/m2) Ir = 改良率= 改良樁總截面積 / 改良區域總面積 qu = 改良樁無圍壓縮強度(T/m2) α= 改良樁強度折減係數，依般取 0.5 此複合土體之剪力強度依改良面積比率加權平均計算之，以代表改 良後土體之剪力強度並進行分析，但以往的檢驗方法只著重改良樁 體檢核，較無考量樁間未改良土體的影響，因此補強原有檢核方法 的缺點並取得一個代表整個改良體改良效果的方法極為重要。 18

19 圖2. 2 固結體鑽孔取樣位置示意圖(基礎工程施工規範與解說， 1998)

2.2 土壤剪力波特性於地盤改良的應用

地層剪力波速資料與土壤之勁度與密度有直接關係，藉由過得地 層剪力波速之訊息可將其應用於地層辨識、基礎動靜態性值評估、土 壤液化潛能分析與土壤改良成效檢驗等問題。

2.2.1 土壤動態剪力波特性

土壤剪力波特性與土壤動態性質有關係，根據彈性力學所推導出 的公式： Gmax = ρVs2 (2-4)

其中： ρ = 土壤密度 Vs = 剪力波速 Gmax = 剪力模數 土壤再經由反覆載重產生剪力應變形為如圖2. 3，由圖中可知單 一試驗下，土壤剪應力與應變關係呈現阻滯圈(Hysteresis Loop)的形 式。在不同反覆試驗下所得到阻滯圈端點軌跡線稱為骨幹曲線 (Backbone Curve)如圖2. 4，其中通過原點(反覆剪應變振幅為 0)之正 割剪力模數即為最大剪力模數(Gmax) ，因此任何G/Gmax均會小於1。 因此完整之剪力模數與剪應變之關係，及不同模數比與剪應變之關係

曲線，稱之為剪力模數遞減曲線(Modulus Reduction Curve)如圖2. 5，

此曲線由室內試驗求得，即由骨幹曲線中推求出剪力模數遞減曲線，

其中模數比均小於等於1 且隨著剪應變之增加而減少，故可由剪應變

之範圍中求得等值線性之剪力模數大小。

圖 2. 3 土壤之應力應變行為(Luna and Judi,2000)

圖 2. 4 骨幹曲線(Luna and Judi, 2000)

圖2. 5 剪力模數遞減曲線(Luna & Judi, 2000)

2.2.2 剪力波法於量測方法

由上述可知剪力波可反應地盤改良土壤勁度的改變，因此將用於 地盤改良成效評估中所使用之量測剪力波速方法逐一介紹。

1. 剪力波元件試驗(Bender Element Test)

土壤中剪力波速的傳送與接收室內試驗早期由美國德州大學 (University of Texas at Austin)所發明，利用剪力片(Shear Plate) (Shirley, 1978)進行試驗，以石英或壓電水晶為主要元件，目前以壓電陶瓷材 料所組成之剪力波元件(Bender Element)逐漸取代剪力片，所以目前關 於剪力波速室內量測方法多採用一組剪力波元件(Bender Element)進

行剪力波速的量測；壓電陶瓷可分為串聯與並聯兩種連接方式，不同 的連接方式會有不同的壓電特性，串聯時機械能轉換為電能之功率是 並聯的兩倍；反之，並聯時電能轉換為機械能的功率是串聯的兩倍， 故利用壓電陶瓷剪力波元件量測剪力波速時，一端以函數產生器激發 剪力波，另一端接收剪力波並由示波器上判斷剪力波初達時間，便可 推算剪力波速。剪力波元件試驗最大的剪應變約等於或小於 10-3%

(Dyvik & Madshus, 1985) ，因此試驗在微應變下便可決定初始剪力模 數( Gmax) 。 剪力波試驗流程如圖2. 6 所示，由剪力波元件試驗資料判斷初 達時間並計算剪力波速後，便可依下式計算初始剪力模數(Gmax)。 t L v G =ρ _s2= ρ max (2-5) 其中： ρ= 試體質量密度 L = 有效長度，試體長度扣除剪力波元件凸出上下頂蓋的長度 T = 傳波時間 因此利用室內試驗之剪力波元件試驗可建立土壤之剪力波速值，亦可 建立地盤改良前後土壤之剪力波速關係。 23

圖 2. 6 剪力波元件試驗(Bender Element Test) (Leong et al., 2005)

2. 共振柱試驗(Resonant Column Test)

此試驗之基本原理是對試體驅動輸入不同頻率的剪力震動(垂直 或扭轉)，再由加速度計計讀訊號以求得試體的頻率反應頻譜，進而 得到共振頻率以及試體動態性質。共振柱試驗常見的形式有固定-自

由型共振柱及自由-自由型共振柱如圖2.7。利用共振柱試驗可建立土

壤剪力波波速、土壤有效應力及乾密度之關係 (Kim & Park, 1999)。

圖2. 7 共振柱型式示意圖 (摘自徐瑞旻，2002) 3. 跨孔式震測法(Crosshole Method) 跨孔式震測法，如圖2. 8- a所示，至少需要兩個垂直地表面的鑽 孔，通常以三個鑽孔為最佳，相鄰兩鑽孔之間距約為 2~3 公尺，其 中在某個鑽孔中設置震源，分別在另外兩個鑽孔中與震源同一深度處 設置受波器，以接收震源所發出之壓力波及垂直向剪力波訊號，同時 依據相鄰兩鑽孔之間距及波傳之時間，計算兩鑽孔間土層之平均波傳 速度；另外由於震源與受波器可以同時在鑽孔內自由上下移動，通常 每隔0.5 或 1 公尺移動一次，因此可以求取整個鑽孔深度範圍內土層 之波速度剖面圖。此方法以最直接的方式量測鑽孔間土層波速，但若 兩鑽孔間之距離太大時，則在層狀之地下土層構造中，便會因折射現 象造成波傳將以最短路徑通過高速度地層，無法探測到兩高速度地層 間之低速度夾層。 25

4. 下孔式震測法(Downhole Method) 下孔式震測法，如圖2. 8-b所示，只需要一個垂直地表面的鑽孔， 在地表面設置震源，而在鑽孔內設置速度受波器，以接收震源所發出 之壓力波及水平向剪力波訊號，同時依據震源離受波器之距離及波傳 之時間，計算量測範圍內土層之平均波傳速度；此外受波器每隔0.5 或1 公尺往下移動一次，直至整個鑽孔深度施行完畢為止，以求取整 個量測範圍內土層之波速度剖面圖；但震波之訊號品質會隨著探測深 度之增加而減少，且不能使用於雜訊較大之區域，使得適用範圍縮小。 5. 懸垂式 P-S 波探測法(P-S logger) 懸垂式 P-S 波探測法，如圖2. 8-c所示，只需要一個垂直地表面 的鑽孔，主要裝置是一含有兩組受波器及一個震源之電磁式探測管， 兩組受波器之間距為1 公尺，而震源位於受波器下方，施作時將電磁 式探測管伸入含有地下水或鑽孔液之鑽孔中，而由震源依次產生水平 向剪力波、相反極性水平向剪力波及壓力波三種訊號，由兩組受波器 分別接收震波訊號，同時依據兩受波器之間距及波傳之時間，計算鑽 孔深度範圍內土層之壓力波速度及剪力波速度；此外電磁式探探管每 隔0.5 或 1 公尺往上移動一次，直至地下水位或鑽孔液深度為止，以 求取整個鑽孔量測周圍土層之波速度剖面圖；但缺點是鑽孔中必須充 26

滿地下水或鑽孔液，以提供波傳所需之介質，同時兩組受波器之間距 僅1 公尺，使得波傳之路徑太短，導致初達時間之誤差較大，容易造 成判定上之人為誤差。 6. 貫入式探測法 貫入式探測法目前常用的有震測式圓錐貫入法(Seismic Cone Penetration Test，簡稱SCPT)，如圖 2. 8-d 所示，主要是採用剪力波 來探測地下土層之波速，是由北威爾斯大學(University College of Nales)所發展。在地表處設置震源，並設置兩個間距為 1m之速度受波 器，固定在一電磁式水壓圓錐上 (Robertson et al.,1986)，用以施作貫 入試驗及震測試驗，並進行土壤之取樣及接收震源所發出之剪力波訊 號，同時依據震原離受波器之距離及波傳時間計算量測範圍內土層之 剪力波速；施作方式與下孔試探測法類似，每次往下貫入0.5 或 1 公 尺，直至要求之試驗深度，並記錄剪力波訊號之歷時資料，以隨著電 磁是水壓圓錐貫入之深度，求取整個鑽孔周圍土層之波速度剖面圖； 其缺點是無法在噪音大的環境下施做，這將會使得敲擊訊號與雜訊之 比例降低，造成初達時間難以判斷。此外貫入式探測法並不適用於較 堅硬土層如含礫石層或岩層。 27

圖2. 8 常見之現地剪力波量測方法 (Stokoe & Santamarina, 2000)

7. 表面波震測法

表面波震測(Seismic Surface Wave)法，主要是利用表面波中之雷 力波(Rayleigh wave)及洛夫波(love wave)來探測地下土層，又因為雷 力波為地表面量測法中最容易產生且振幅亦最大之震波，一般都是採 用雷力波來探測地下土層之構造，而表面波之波傳影響範圍大約侷限

於一個波長之深度內，因此表面波之影響深度會隨著頻率之不同而有 所差異，當土層之剪力模數隨著深度而變化時，造成波傳速度亦隨著 頻率(或波長)之不同而變化，稱之為表面波之頻散現象，波速度與頻 率(或波長)之關係稱之為頻散曲線，由於雷利波速度與剪力波速度相 近(參考圖2. 9) (Richart et al., 1970)，利用頻散曲線與地層波速變化之 關係，可反算得到土層之剪力波速度剖面，如圖2. 10。 圖2. 9 柏松比與波速度之關係(摘自 Richart et al.,1970) 29

圖2. 10 表面波震測技術流程圖 表面波震測法量測剪力波速的優點在於非破壞性、取樣空間大以 及不需在地表鑽孔等，因此可適用於大範圍的工址探測，又因其施測 容易、快速及成本較低的優勢，雖然量測之頻散曲線須經過反算才能 得到剪力波速，分析較為複雜，但其便利性及經濟性使得此方法廣泛 的應用於許多大地工程及鋪面工程中如：地層比對、鋪面厚度檢測、 地下孔洞探測、液化潛能分析、地盤改良成效檢測以及隧道襯砌與背 填灌漿之品質管制等。下節將針對表面波之基本波傳原理及使用之多 頻道表面波量測法(MASW)作介紹。 30

2.3 表面波基本波傳原理

在半無限域空間之彈性體中，由於其邊界之存在，故經由震源或 其他擾亂源產生之波動，除了實體波之產生外，為了滿足力學之平衡 條件，還會產生在邊界傳遞之表面波(Surface Wave)，又稱為雷力波 (Rayleigh Wave)，其質點運動方向在水平及垂直向均有分量，即質點 運動方向為橢圓形平面軌跡運動之波動。至於在非均質之土層中，亦 可能產生另一種在層狀界面中傳遞之表面波，稱之為洛夫波(Love Wave)，此種波發生在表面層為低速層之介質內，質點運動為沿著水 平面與波傳行進方向垂直。表面波之波傳影響範圍大約侷限於一個波 長之深度內，因此表面波之影響深度會隨著頻率之不同而有所差異， 當土層之彈性模數隨著深度而變化時，造成波傳速度亦隨著頻率(或 波長)之不同而變化，稱之為表面波之頻散現象，波速度與頻率(或波 長)之關係稱之為頻散曲線。表面波震測即是採用表面波中之雷利波 或洛夫波來探測地下土層，又因雷利波為地表面量測法中最容易產生 且振幅亦最大之震波，故通常都採用雷利波來探測地下土層之構造， 由於雷利波速度與剪力波速度相近，利用頻散曲線與地層波速變化之 關係，可反算得到土層之剪力波速度剖面。 假設地層為均質、均向之線彈性體，若於地表面上某一方向x， 31

量測地表隨時間t 之垂直運動 u(x,t)，則就某一角頻率ω (= 2πf)而 言，雷利波運動之通解可表示為： ] [ 0 0( ) ( ) ( ) ( ) ) , ( w k x t jw jwt jkx_{e U w A x e} e x A U t x u =

ω

− = − _(2-6) 其中： U0為初始振幅之大小，與震源型式相關 A 為振幅隨空間改變因子，與幾何阻尼相關 K 為空間頻率之大小(又稱波數，Wavenumber) K 之倒數λ(= 2π/k)即為波長。式(2-6)中顯示波傳之主要行為，包含 波傳之衰減與波動支速度，其中波傳速度(v)與材料之彈性模數有直 接相關，且可定義為時間頻率與空間頻率之比值，如下所示： k f k v = ω = 2π (2-7) (2-7)亦可表達成頻率( )與波長(f λ )之乘積： λ ⋅ = f v _(2-8) 32

33 f 在均質的線彈性體中，上式之乘積為一定值，頻率較低之波長較 長，而頻率較高之波長較短，亦即波傳之速度為一常數，不隨頻率之 改變而改變。在均質線彈性體中，僅有單一模態之波傳，然而，一般 層狀地層沿深度方向為非均質，亦即其材料之彈性模數隨深度而變 化。若考慮地層之非均質性及材料阻尼，就某一角頻率ω(= 2π )而 言，雷利波之通解可由振態疊加求得：

∑

− −

=

m x k wt j m

w

x

e

m

S

t

x

u

₍

_,

₎

₍

_,

₎

( ) (2-9) 其中： M = 振態數 S = 振幅因子，包含(震源、受波器、幾何阻尼及材料之綜合影 響) 由於表面波之波傳影響範圍大約侷限於一個波長之深度內，而不 同頻率震波具有不同之波長，當地層之速度隨深度而變化時，各振態 之相位速度變為頻率之函數，此速度隨頻率之變化稱為頻散現象。 (2-9)可改寫成： )) , ( ( 0

(

)

(

,

,

)

)

,

(

_x

_t

_U

ω

_A

α

_x

ω

_e

j wt φ xω

u

=

− − _(2-10)

其中A 亦受到材料阻尼(α)之影響，且為頻率之函數，ψ為一複合相 位函數，描述相位隨著空間變化所產生之波傳現象。任一頻率簡諧波 之特徵點(例如波峰或波谷)可以下式表示：

const

x

t

−

φ

(

,

ω

)

=

ω

(2-11) 因此，將上式對時間微分可以得到有效相位速度之定義： x x ∂ ∂ = ∧ ) , ( ω φ ω ν (2-12) 由上式可得知，多重模態波傳之有效相位速度為區域性之物理量，亦 即不同位置具有不同之波傳速度。若地層為常態之速度剖面(即剪力 模數隨深度增加而增加) ，則通常波傳由基態所控制，而有效相位速 度趨近於基態之速度(林志平等，2002)。

2.3.1 多頻道表面波施測法

表面波震測施測法為利用表面波之頻散特性經反算求得地層之 剪力波速，主要步驟為(1)由現地試驗求得相位速度頻散曲線( )； (2)再利用彈性波傳理論反算地層地層剪力波速(v(z))。目前常用之頻 ) ( f v 34

散曲線量測法為表面波譜法(Spectral Analysis of Surface Wave，簡稱 SASW)及多頻道表面波法(Multi-channel Analysis of Surface Wave Method，簡稱 MASW)，本研究採用多頻道表面波法做為現場之施作。

多頻道式表面波量測法係由地球物理領域之學者提出

(McMechan and Yedlin, 1981; Gabriels et al.,1987；Park et al., 1999)，並 可避免上述表面波譜法之限制，其野外試驗之施測方式，一般採用 1~2 公尺之受波器間距，並設置 12 個以上之受波器於同一直線上， 以接收震源所發出之震波訊號，其中以收錄表面波之訊號為主；以 24 個受波器為例，在第一個受波器之線外設置 1 個炸點，並反覆在同一 炸點處施作疊加震測以消除雜訊之影響，直至收錄到清晰之表面波訊 號為止，再利用先進之二維訊號識別技術以分析多頻道震測資料，以 求得訊號品質優良之頻散關係曲線，最後經過反算分析便可得到淺層 地層之剪力波速度剖面，而較常使用之分析方法有多頻道表面波譜法 (MSASW)及多頻道波譜轉換法(MWTSW)，於此僅介紹波場轉換法。

2.3.2 多頻道表面波分析法-多頻道波場轉換法

所謂波場轉換法(MWTSW)，亦稱為泛音分析法(Overtone Analysis)，其中包含兩個重要之分析步驟，即富利葉轉換法(Fourier transform)及積分轉換法(Integral Transformation)；首先確定震測資料 35

之波速範圍，如圖2. 11所示，並利用富利葉轉換法，將各個受波器 之震波資料，由空間時間(x,t)域轉換至空間頻率域(x,ω)中，如下所示：

∫

=

u

x

t

e

dt

x

U

₍

_,

_ω

₎

₍

_,

₎

iωt (2-13) 其中U(x,ω)代表經由轉換後空間頻率域震波資料，共包含相位及振幅 之頻譜資料；u 則代表原始空間時間域震波資料。而後利用積分轉 換法，即類似傾斜疊加法轉換，疊加對應某相位速度之頻譜資料，如 下： ) , ( tx ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = =

∑

∑

= ω ω β ω β ω φ , ( , ( ) , ( ) , ( 1 n n N n c j x U x U e V A n (2-14) 其中V (ω,β) ) / 2 f v 代表經由積分轉換後之頻譜資料； 代表受波器之 編號； n x ( π φ = 代表空間頻率，可將上式視為某一頻率之資料，按 照假設之相位速度(v =ω /φ)對每一個受波器位置之頻率施做相位平 移後，在將每一受波器平移後之頻譜疊加； A( v

ω

, )代表某頻率與波 數對應之能量振幅大小，利用頻率波數之關係v = (ω/φ)亦可表示為 ) , ( v A

ω

，若每個受波器之相位差對應至正確之相位速度處，則疊加 厚之能量振幅會有增加之效應，反之則會減少，因此在疊加後之能量 36

振幅極大處，其對應之相位速度及頻率即為由波場轉換法求得之頻散 曲線，如圖2. 12，其中陰影處即為波場轉換法對應之能量振幅譜， 而黑點處為振幅極大值之所在，其連線即為頻散曲線之位置(Park et al.,1998)，由於一般地層所量測到之有效頻散曲線大都由基態控制， 目前主要利用基態頻散曲線進行反算。表面波測線配置與計算域之呈 現如圖2. 13所示，圖2. 13-a為表面波震測現場配置簡圖，X1為近站 支距(near offset)，為震源(星號)與第一個受波器的距離；dx為受波器 間距；N為受波器的數量。圖 2. 13-b為表面波震測現場試驗收錄之時 間-空間域波場(t-x domain)資料，圖2. 13-c則是t-x domain資料透過波 場轉換後之f-v頻譜及頻散曲線，經反算得到之剪力波速如圖2. 13-d。 圖2. 11 有效之波速度範圍 37

圖2. 12 波場轉換分析法之 f-v 頻譜(張正宙，2002) (a.) 2 4 6 8 10 12 14 x 106 38 Phase Velocity, v ph (m/s) F req uen cy , f ( H z) 100 150 200 250 300 350 400 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 100 200 300 400 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 Vs (m/s) Dept h, z (m ) (d.) (b.) (c.) 圖2. 13 波場轉換法(MWTSW)試驗配置與分析流程

多頻道波場轉換法施測時必須注意其施測因子對於波場轉換之 影響，理論上，時間空間域(t, x)為連續且無窮之波場，但施測過程僅 能得到離散且有限之波場資料，訊號之離散化(Digitization)與截短 (Truncation)將使得波場轉換產生映頻混擾(Aliasing)與洩漏 (Leakage)。在時域方面，由於目前資料擷取系統之取樣率遠高於震源 所能產生之最高頻率，且常設有反頻率混擾濾波器(Anti-aliasing filter)，因此可避免頻率混擾之產生，而取樣數目通常也能有足夠之 時間長度涵蓋脈衝訊號以避免頻率之洩漏，若使用簡諧震動震源亦可 施作時域視窗(Time-domain windowing)已降低頻率之洩漏。然而，空 間上則受限於施測範圍與受波器個數而無法如時間域一般避開空間 之映頻混擾及洩漏，使用較小之受波器間距可增加波數(或波長)之範 圍，但若受波器之數目一定，則受波器越小，展距越小，可能造成嚴 重之波數洩漏問題，空間域視窗(Space-domain windowing)雖然可降低 洩漏問題，但也會降低波數之解析度。然而，由於在f-x 域裡，波場 隨空間之變化為幾個簡諧函數之線性組合，因此其空間之映頻混擾在 f-k 域或 f-v 域所造成之峰值具有一定之規則，可與頻散曲線區別，因 此對於受波器最小間距之要求可大幅放寬，一般dx ≤ 5 m 即可 (林志 平等，2002)。 由前一步驟所得到之頻散曲線進行剪力波速度層構造反算分 39

析，藉由頻散曲線的比對得到地層剪力波速剖面。反算分析是採用美

國Kansas Geological Survey 團隊所發展之 Surfseis 1.80 軟體進行。該

軟體以Xia et al.(1999)所發展之反算運算法進行剪力波速反算，此反 算以猜想地層之頻散曲線理論解與代表性頻散曲線之方均根值 (root-mean-square error)做為可靠度值，以不斷試誤之方法使此值降至 最低而獲得該地層之一維剪力波速剖面。

2.4 剪力波於地盤改良成效的應用

過去前人應用現地或實驗室剪力波量測技術於地盤改良場址，嘗 試透過改良前後剪力波速變化與傳統檢驗工具如圓錐貫入試驗、標準 貫入試驗等試驗結果建立關係，或藉由剪力波速變化，提供液化潛能 分析(參考表2. 5)，但傳統現地剪力波量測技術卻因量測範圍小且容 易受到地表雜訊干擾，代表性常受質疑。隨著表面波震測技術的發 展，有學者透過表面波震測快速與取樣範圍大的優點將此技術應用於 地盤改良成效檢核上，以期能提供地盤改良成效檢核上更客觀的方 法。 1.剪力波速於地盤改良成效的應用 Schneider 等人(2000)於一處地盤改良場址施做震測式圓錐貫入 40

試驗(SCPTu)及跨孔震測試驗，該場址利用改良前後所得到之錐尖阻

抗值及剪力波速計算預壓密應力，達到地盤改良品質控制；Axtell and

Stark(2008)利用跨孔式震測法及共振柱試驗檢測攪拌工法(Soil Mix and Jet Grout Methods)之成樁效果與剪力模數變化，雖然室內試驗無 法與現地試驗相符合，但現地試驗之結果仍能顯示剪力波速與剪力模 數之提升，可做為數值模擬之參考；吉富宏紀等人(2006)在一處以抗 液化為改良目的之地盤改良場址(擠壓砂樁工法)施做懸垂式 P-S 波 探測法及下孔式震測法，測定結果發現樁間剪力波速約提升6%，樁 心則提升30%。 2.表面波震測於地盤改良成效應用 Kim 等人( 1997)利用表面波譜法(SASW)評估動力夯實改良場址 之土壤緊密度，可明顯見到該場址夯實前後波速之變化，相較於以往 做為評估之方法如SPT 與 CPT，表面波震測法顯得經濟且可大範圍 的評估；Kim 等人(1999)利用共振柱試驗並透過試驗建立土壤剪力波 速、乾密度與有效應力之關係，再依現地表面波震測的施做得到之剪 力波速剖面，轉換成土壤乾密度剖面，讓使用動力夯實工法之改良場 址能更快速的確認是否達改良標的。Donohue and Long(2008)利用多 頻道表面波震測法量測低壓灌漿改良工法，透過表面波震測法得到之

剪力波速可監測灌漿後膠結之情況以及剪力模數的變化，配合實驗室 剪力波元件試驗(Bender Element test)建立波速與土壤單壓強度之關 係，即可由現地得到之剪力波速取得大範圍改良土之膠結強度，在以 不同時間施作表面波震測之結果，得以監測地盤改良土膠結強度之程 度，有助於縮短工期。

第三章 研究方法

前人利用諸多方法量測地盤改良前後之剪力波速再透過試驗室 試驗或經驗公式建立剪力波速與土壤單壓強度、標準貫入試驗與土壤 乾密度等參數之關係，透過剪力波速轉換成所需之工程參數或透過公 式轉換成剪力模數，以達設計及檢核目標。然而表面波震測在增加地 盤緊密性之地盤改良工法上可顯示其取樣範圍大、快速、經濟且非破 壞性等優點，相較於傳統現地之剪力波速量測技術更突顯其特色；前 人利用表面波震測量測地盤改良成效多應用於改良後趨於均質之改 良土體，然而在測向變化角為顯著之複合改良土體之表面波量測截至 今日則較無應用之文獻。以往複合改良土體之檢驗著重於改良樁體之 性質，未考慮整體改良土之綜合表現，所以取得大範圍改良土體之資 訊有其必要性，能更客觀檢核地盤改良成效，而本研究利用表面波震 測法之優點期望達成此目標，並提供成效檢核之標準。 本研究流程如圖3. 1，透過文獻蒐集，找尋地盤改良工法既有之 成效檢核方式，並討論改良後形成高度不均質性改良土體既有之成效 檢核方法缺點，以及表面波震測法之優點是否能確切反應地改後之勁 度變化。因此選擇會形成高度不均質之地盤改良場址做為研究，首先 透過蒐集地盤改良前後之試驗資料如標準灌入試驗N值、單壓試驗(qu) 43

或是跨孔震測試驗資料；另一方面嘗試利用表面波震測的施做，透過 反算分析得到剪力波速剖面，期望能反應出地盤改良前後之差異。接 著將所得之資料結果綜合比較，試圖找尋剪力波速變化與地盤改良參 數變化之關係，希望能藉由表面波震測法快速且經濟的優點，迅速得 知改良後之成效是否符合設計者之要求。 圖3. 1 研究流程圖 44

3.1 試驗規劃與流程說明

試驗目的首要在於了解表面波震測能否區別出改良前後波速之 差異以及改良位置之所在，地盤改良後土壤中形成高強度之改良柱 體，使之具有高度不均質的特性，因此於改良樁體上(位置)及改良樁 間佈設測線以探討此問題，而施測因子的選擇是參考Park et al(1999;2002)以避免分析上可能產生之問題；而本研究亦配合跨孔震 測的試驗相互對照，以增加試驗可靠度。除此之外表面波震測是否能 反應地盤整體勁度變化除了上述之施測因子外，尚有地改後之改良樁 體強度、改良樁體之間距以及改良率的不同，而為了能確實反應出地 改前後之差別，參考張正宙(2002)建議之多頻道表面波震測野外試驗 流程，提出試驗規劃與流程。 試驗流程及說明： 1. 於地盤改良前施作多頻道表面波震測，依照現場改良平面圖於預 定之改良位置(樁上)及樁間佈設測線，做為改良前背景值。 2. 照改良區域現場狀況決定測線展距並考慮近站支距(X1)及接收器

間距(ΔX)，用以避免近域影響(Near Field Effect)、映頻混擾以及 遠域影響（Far Field Effect），震源採用 12lb 鐵槌搭配鐵板墊片。 3. 施做之同時應避免人為噪音，以減少雜訊對震波訊號之干擾，若

該場址附近車流量或人潮太大時，則需考慮夜間施作，以降低背 景噪音之影響；此外震源亦需避開人孔出入口或地下管線處，盡 量避免震波之不規則傳遞。 4. 在同一炸點處反覆施做疊加震測，以提高資料訊號之雜訊比，直 到儀器螢幕上可清楚辨識表面波之訊號。 5. 將各近站支距敲擊得到之資料透過波場轉換法分析比較出最清 晰之能量振幅譜，得到最佳之頻散曲線做為分析依據。 6. 於改良完成後，原試驗位置再行施作，並將所得之震測資料加以 分析比較前後差異。 7. 蒐集該場址之背景資料如預定改良率、鑽探、標準貫入試驗(SPT) 與基本物性試驗等，以及改良後原有檢核試驗如標準貫入試驗、 單壓試驗等等比較改良前後之差異，或透過複合土體設計概念轉 換成土壤強度並嘗試著比較其差異，試圖找出地盤改良前後之各 項參數變化與剪力波速變化之相互關係。

3.2 試驗儀器簡介

表面波震測系統主要包括震源、受波器、震測儀等如圖3. 2所示， 分別說明如下： 46

震源：用以製造人造震動，有長柄鐵鎚、落錘、振動器、或炸藥 等不同能量的選擇，視欲探測深度、地質條件、及環境噪音而定。本 研究以12lb 長柄鐵槌為震源。 受波器：用以接收震源所產生的地表震動。本試驗中使用OYO Geospace 公司出品之速度式受波器，其可收錄最低頻率至 4.5Hz。受 波器上部為塑膠殼，內部含有電磁式感應線圈，用以感應並接收震波 訊號，而其下部為圓錐鋼釘，長約 7 公分左右，用以垂直插入固定於 地表土層。 震測儀：用以紀錄受波器所接收到的地表震動訊號。本試驗採用 美國Geometrics 公司出品之 StrataVisor NZ 型震測儀，屬於多波道可 攜帶式數位震測儀，基本型最多可同時收錄24 個受波器之資料，另 可藉由擴充內部界面卡以及外接擴充器Geode 兩種方式增加頻道數 至240 頻道以上。其取樣率在 20~16000 μsec 之間，取樣時間最長可

達256 sec，允許震波訊號重覆疊加。此外，使用日本 OYO Geospace

公司出品之多頻道式震測電纜用以連接震測儀，每一震測電纜最多可

同時連接12 個受波器，相鄰兩連接頭之間距約為 7.5 公尺，可延伸

長度約為9.6 公尺，單一震測電纜之總長約為 92 公尺。

圖 3. 2 表面波震測儀器

3.3 表面波於地盤改良成效應用-案例施作

本研究選擇兩處地盤改良工址，分別是施做高壓噴射灌漿改良與 擠壓砂樁改良，期望透過兩處場址的研究，能初步觀察其間之關連 性。兩處場址施作地盤改良之目的在於增加地盤穩定性、承載力以及 增加抗液化潛能，以下就兩處場址分別介紹其背景資訊及試驗相關配 置。

3.2.1 高壓灌漿改良場址

高壓噴射灌漿工法(High pressure jet grouting)亦有稱為高壓噴流 注入工法，為地質改良灌漿工法中之一種。此工法係以高泵將硬化材

料灌入套管中，並經由一特製小口徑的噴嘴由地下水平噴出，產生高 壓噴射攪拌流以切削地盤，同時旋轉及提升鑽桿，使硬化材料與土壤 充分拌合，待其硬化後造成樁型固結物(王劍虹，1985)。施工順序如 圖3. 3所示，首先將鑽桿置入預定改良深度，再由高壓幫浦將水泥漿 液與空氣噴射並切削週圍土壤，直到提升至預定改良深度。 圖3. 3 高壓噴射工法施工順序圖 (王劍虹，1984) 1.場址簡介 本場址位於宜蘭縣冬山鄉與羅東鎮交界處往羅東運動公園之宜 26 線附近變電所用地內(參考圖 3. 4)，基地鑽孔平面位置示意圖，詳 49

圖3. 5所示。依據地質調查結果，本基地地層在鑽探最大深度(42 公 尺)內，由上而下約可概分為八個層次，即：(1)表土回填層(2)灰色粗 中細砂層(3)灰色粘質粉土層(4)灰色粉質粗中細砂層(5)灰色粗中細砂 層(6)灰色粘質粉土層(7)灰色粉質細砂層(8)灰色礫石層，詳細之剖面 如圖3. 6與圖3. 7。簡化基地地表面下 0~42m範圍內之簡化地層之分 類及參數建議如表3. 1。 圖3. 4 基地位置圖 50

(21m) (21m) (42m) (30m) (21m) (21m) BH-1~BH-6 表示鑽孔位置 圖 例: BH-1 BH-2 BH-3 BH-4 BH-5 _BH-6 圖3. 5 鑽孔平面位置圖 51

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圖3. 7 BH04_BH05_BH06 剖面

表 3. 1 土層簡化參數表 層 次 分類 土層描述 層底 深度 (GL.-M) N 值 單位重 (T/M3) Cc/Cs Su (T/M2) C' (T/M2) ψ' (o) 1 SF 表土回填層 3.0 12 2.04 -- -- 0 30.6 2 SW-SM/SP-SM/SM/G W/GP/GPG M/SP/GW-GM 灰色粗中細砂層;含 粉土、粉質砂、礫石 及少量卵石 10.0 14 2.05 -- -- 0 35.1 3 ML 灰色粘質粉土層;低 塑性,偶夾砂質粉土 19.0 8 1.89 0.253/ 0.023 2.0 0 31 4 SM 灰色粉質粗中細砂 層;含粉土,礫石及少 量卵石 27.5 19 2.04 -- -- 0 32.8 5 SP-SM/SM 灰色粗中細砂層;含 粉土、粉質砂、大量 礫石及部分卵石 33.2 30 2.02 -- -- 0 36 6 ML 灰色粘質粉土層;低 塑性 34.9 8 1.93 -- 5.0 0 31 7 SM 灰色粉質細砂層 38.4 19 1.99 -- -- 0 32.7 8 GP-GM/SW -SM 灰色礫石層;級配不 良,含粉土、粗中細 砂、卵石 42 43 2.13 -- -- 0 39.9 本工址採用高壓噴射灌漿改良工法，詳細施做位置如圖3. 9，施工方 法如下： 1. 本工程地盤改良樁樁徑為∮120cm，樁距為 2.8m。 2. 灌漿機具進場組裝完成後，需會同監造單位進行現場流量及噴射 壓力測試。 54

3. 機具設備就樁位前需將場地整平及點位放樣。 4. 全面施作之建築物區：整地前地表下 5.5m~20.0m(L=14.5m)，電 纜涵洞區：整地前地表下5.5m~20.0m(L=14.5m)，冷卻器及集油 池區：整地前地表1.0m~20.0m(L=19.0m)。 5. 整體設計改良率為 14.43% 6. 成效檢驗如下： (1) 全面施作區鑽心取樣: 於整地前地表面(現地地表)下 5.5 公尺 至20.0 公尺(建築物區、電纜涵洞區)，於整地前地表面(現地 地表)下 1.0 公尺至 20.0 公尺(冷卻器及集油池區)，以NX套管 鑽心採取土樣共計14 孔，每孔各取一組試體(上、中、下， 共3 個)，qu需≧10kg/cm2(黏土層)，qu需≧35kg/cm2(砂土層)。 取樣位置如圖3. 8所示。 (2) 全面施作區標準貫入試驗: 於三支改良樁所構成三角形之中 心點，進行標準貫入試驗，共計14 處，試驗深度為整地前地 表面(現地地表)下 5.5 公尺至 20.0 公尺，每隔 1.5M進行乙次， GL-5.5M~GL-10.5M標準貫入試驗N值需≧10， GL-10.5M~GL-20.0M標準貫入試驗N值需≧8。實際檢核位置 由甲方決定，本場址選定檢核位置參考圖3. 9。 55

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表面波震測於地盤改良成效評估之研究

圖 3. 9 地盤改良樁改位置及檢核位置平面圖

2.表面波震測施測配置 表面波震測佈線位及相關檢驗置如圖3. 10所示，由前可知最大 改良深度於改良前地平面往下5.5 至 20 公尺處，考量淺層有未改良 區及有效探測深度情況下，受波器間距(ΔX)為 2 公尺，使用 24 個受 波器，構成46 公尺之展距，測線L1 靠近鑽探孔BH02，測線L4 位於 BH05 孔附近，方便與兩孔鑽探及相關試驗資料相互比對；L1、L4 測線在樁心，L2、L3 測線佈於樁間，兩測線相距 1m，用以探討表面 波震測能否反應分改良區域及未改良區域，本試驗將場址分成L1、 L2 及L3、L4 兩組試驗加以對照；採用 12lb鐵錘搭配鐵板墊片做為震 源，近站支距採20m每次遞減 2m至第一個受波器，以測試出最佳收 錄結果。 3.對照試驗-跨孔試驗 現場相關位置如圖3. 10所示，現場鑽有C1~C6 共六孔，試驗規 畫如表3. 2，配合表面波震測之配置，震源設置於C2 及C6 孔，分成 case1 對照L1、L2 測線與case2 對照L3、L4 測線，再分成過改良樁以 及樁間之配置，期望與表面波震測之結果相互印證。 58

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表3. 2 跨孔震測配置表

Source Receive Distance (m)(前) Distance (m)(後)

Case1 C2 C1(過樁) 5.58 5.62 C3(未過樁) 5.6 5.4 Case2 C6 C5(過樁) 5.65 5.58 C4 (未過樁) 5.65 5.76

圖3. 10 表面波震測與跨孔震測試驗配置圖